类成员和成员函数内存位置

Question

这是一个简单的 C++ 类，命名为A：

class A
{
public:
    explicit A() : m_a(0) { }
    explicit A(int a) m_a(a) { }
    int getA() const { return m_a; }
    void setA(int a) { m_a = a; }

private:
    int m_a;
}

这是我目前所知道的：

• 当您声明类实例的对象时，会为该对象分配内存。分配的内存相当于其成员的内存总和。所以就我而言，它是：sizeof(A) = sizeof(int) = sizeof(m_a)
• A 类的所有成员函数都存储在内存中的某个位置，A 类的所有实例都使用相同的成员函数。

这是我不知道的：

成员函数存储在哪里以及它们实际上是如何存储的？例如，假设int 存储在 4 个字节上；我可以想象具有 4 个连续单元的 RAM 内存布局，每个单元存储该 int 的一部分。我怎么能想象这个函数的布局？（这听起来很傻，但我想函数必须在内存中占有一席之地，因为你可以有一个指向它们的指针）。另外，功能指令是如何以及在哪里存储的？我的第一感觉是函数和函数指令存储在程序可执行文件（及其动态或静态库）中，但如果这是真的，当您创建函数指针时会发生什么？ AFAIK 函数指针指向 RAM 内存中的位置，它们可以指向程序二进制文件中的位置吗？如果是，这是如何工作的？

谁能向我解释这是如何工作的，并指出我所知道的是对还是错？

Answer 1

首先，你需要了解linker的作用以及executables（通常在virtual memory中执行）和address spaces&processes是什么。在 Linux 上，阅读 ELF 和 execve(2) 系统调用。另请阅读 Levine 的 Linkers & Loaders 书籍和 Operating Systems: Three Easy Pieces，以及 C++11 标准 n3337 和 this draft 报告和一本好的 C++ programming 书籍，以及 this reference 网站。

成员函数可以是虚函数或普通函数。

• 一个普通的（非virtual）成员函数就像一个C函数（除了它有this作为一个隐含的，通常是第一个参数）。例如，您的 getA 方法的实现类似于以下 C 函数（在对象之外，例如在二进制可执行文件的 code segment 中）：

  int C$getA(A*thisptr) const { return thisptr->m_a; }
  

  然后想象编译器正在将p->getA() 翻译成C$getA(p)

• virtual member function 通常通过 vtable (virtual method table) 实现。具有一些虚拟成员函数（包括析构函数）的对象通常具有指向此类表的指针作为其第一个（隐式）成员字段（由编译器在其他地方生成）。您的 class A 没有任何虚拟方法，但想象一下如果它有一个额外的 virtual void print(std::ostream&); 方法，那么您的 class A 将具有与

  相同的布局

  struct A$ {
     struct A$virtualmethodtable* _vptr;
     int m_a;
  };
  

  虚拟表可能是

  struct A$virtualmethodtable {
    void (*print$fun) (struct A$*, std::ostream*);
  };
  

  （因此添加其他虚拟功能意味着只需在 vtable 中添加插槽）； 然后像p->print(std::cout); 这样的电话会被翻译成 p->_vptr.print$fun(p,&std::cout); ... 此外，编译器将生成各种虚拟方法表作为常量表（每个类一个）。

^{注意：多重继承或虚拟继承会使事情变得更复杂。}

在这两种情况下，成员函数都不会占用对象中的任何额外空间。如果它是非虚拟的，它只是一个普通的函数（在代码段中）。如果是虚拟的，则共享虚拟方法表中的一个槽。

注意。如果你用最近的GCC（即g++）或Clang（所以clang++）编译，你可以传递它，例如-fdump-tree-all 标志：它将生成数百个转储文件，其中部分以转储的文本形式显示编译器的一些内部表示，您可以使用寻呼机（例如 less）或文本编辑器对其进行检查。您也可以使用MELT 或查看使用g++ -S -fverbose-asm -O1 生成的汇编代码 ....

Answer 2

要理解这一点，您需要了解程序的内存布局。代码将由对象共享。并且所有对象都有自己的数据副本。

Answer 3

所有局部非静态变量和非虚函数都保存在代码/文本段中。

所有静态和全局变量都保存在静态数据段中。

具有虚函数的类或从具有虚函数的类继承的类将由编译器插入一个 vptr 指针。 Vptr 指向一个虚函数表，它有多个函数槽。每个slot包含存储在代码段中的函数地址。